ams-02, ein detektor auf der iss zur suche nach dunkler...

INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK

AMS-02, ein Detektor auf der ISS zur Suche nach dunkler Materie

Prof. Wim de Boer, AVKA, Karlsruhe, 09.12.2013

IKARLSRUHER INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE

KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association www.kit.edu

23% dunkle Materie 4% sichtbare Materie

73% dunkle Energie

Übersicht

Entdeckung der dunklen Energie (DE)(= Energieform mit abstoßender Gravitation)Perlmutter, Schmidt, Riess, Nobelpreis 2011

Entdeckung der dunklen Materie (DM)

2Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

g ( )(Zwicky, 1932)

Suche nach der Natur der DM am KIT: CMS Exp. am LHC (Labor) Edelweiss Experiment (unterirdisch)

AMS Experiment (auf der ISS)

Beschleunigte Expansion des Universums

3Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Perlmutter,Schmidtund Riess haben Supernovae „geblitzt“ und aus der Geschwindigkeit und Leuchtkraft die Expansion des Universums berechnet

Nobelpreis 2011 für dieEntdeckung derbeschleunigten Expansiondes Universums

Hubble Bild der Supernova 1987A Explosionaufgenommen am 6. Februar, 1998

Durch die Schockwellewerden geladene Teilchenenorm beschleunigt.

Diese hochenergetischekosmische Strahlung ist

SN Ia sind Standardkerzen, d.h. bekannte Leuchtkraft. Aus gemessener Helligkeit kann man den Abstand bestimmen.

4Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

gunsichtbar für das Auge,aber die Rate ist enorm:

ca. 75 Teilchen pro m2 pro Sek.(auf der Erde)

Diese Strahlung kann manmit Teilchendetektoren, wieAMS-02, nachweisen.

Entdeckung der dunklen Materie

5Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope ©Dubinski

Zwicky entdeckte in 1933, dass Galaxien im COMA Cluster zu hohe Geschwindigkeiten für das Gravitationspotential dersichtbare Materie haben.

Lösung: es muss zusätzliche „dunkle“ Materie geben (ca. 90% aller Materie!)

Rotationskurve der Planeten der Sonne

Theoriev∝ √M/Rde

r Pla

nete

n [k

m/s

]

6Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Abstand zur Sonne R [AU]

Ges

chw

indi

gkei

t d

Rotationskurve einer Galaxie

v∝ √M/R

7Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Rotationsgeschwindigkeit nimmt zu mit Masse innerhalb des Radius.Rotationskurve „flach“ viel unsichtbare Masse bei großen Radien.Dies muss neutrale, schwach wechselwirkende Materie sein. Ansonsten Energieverluste durch Wechselwirkungen. Daher nennt man diese dunkle Materieteilchen: WIMP = Weakly Interacting Massive Particle)

Unsere Galaxie: die Milchstraße

8Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Aus der Umlaufgeschwindigkeit der Sonne von 900.000 km/h berechnet man lokal: ca. 1 WIMP/Kaffeetasse

Bildung der Galaxien aus Dichteschwankungen unter Einfluss der SchwerkraftSteinmetz, Potsdam

9Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013DM > 80% der Materie, bestimmt also Schwerkraft. Sichtbare Materie (Gas) folgt.

Colliding Clusters zeigen zwei Komponenten der Materie:sichtbare und dunkle Materie mit nur schwacher Wechselw.

Rot:sichtbaresGas

Aus Geschwindigkeiten kann man schließen, dass „Bullet Cluster“ vorher mit einem anderen Cluster zusammen gestoßen ist

Rot:sichtbares

10Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Gas

Blau: dunkle Materieaus Gravitations-potential

GasBlau: dunkle Materieaus Gravitations-potential

Simulation der “Colliding Clusters”

http://www.sciam.com/August 22, 2006

11Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Thermische Geschichte der WIMPS

Dichte als Funktion der Temp.

Beobachtete Dichte

er d

ensi

ty, G

riest

, PR

199

5

DM nimmt wieder zu in Galaxien:≈1 WIMP/Kaffeetasse ≈105 <ρ>. DMA ( ρ2) fängt wieder an

T>>M: f+f->M+M; M+M->f+fT<M: M+M->f+f., d.h. keine Produktionder DM mehr , nur noch Vernichtung(Annihilation) .WIMP Dichte unterhalbdieser Temperatur eingefroren.

12Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Com

ovin

gnu

mbe

x=m/T Jung

man

n,K

amio

nkow

ski, (∝ρ2) fängt wieder an.

Annihilation in leichtere Teilchen, wieQuarks und Leptonen -> Zerfälle -> Gammas, Positronen, Antiprotonen, Neutrinos

Einzige Annahme: WIMP = thermischesRelikt, d.h. im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt.

Indirekte Suche nach DM im Weltall

DM Vernichtung könnte starke Quelle für Antimaterie sein!

Alle Details bekannt von Elektron-Positron Vernichtung(am LEP Beschleuniger studiert)

13Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

@http://theastronomist.fieldofscience.com/2010/05/dark-matter-confronts-observations.html

Jedoch Untergrund der kosmischen Strahlung, die mit dem Gas kollidiert Antimaterieund Gammastrahlung.

Spektra von Signal und Untergrund jedoch unterschiedlich und bekannt ausBeschleunigerexp,

Erwartungen für Kollisionen von WIMPS

mχ=800 GeV

Dunkle Materie Model von I. Cholis et al., arXiv:0810.5344

on A

ntei

le+

/(e+

+ e-

)

maximaleEnergie

14Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

mχ=400 GeV

e± energy [GeV]

Posi

tro

0.1

10 102

gegeben durchWIMP Masse

Das Physikprogramm von AMS

Discoveries:(1) Pulsar,(2) Microwave,(3) Binary Pulsars,(4) X Ray sources,

solar neutrinos

Hubble, Chandra, Fermiγ ,ν

15Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

solar neutrinos(5) Dark Matter,

Dark Energy

… …WHIPPLE,HESS,VERITAS,…

AUGER

SUPER KHiRes

2. Charged componentsgamma rays: AMS

Science on the ISS

AMS

Das Alpha-Magnet-Spektrometer auf der Internationalen Raumstation ISS seit Mai, 2011

Sichtbar mit bloßem Auge in KA am 10.12.2013 um 5:42:22 für 1 Minute und 29 Sek.

(ISS APP oder http://iss.de.astroviewer.net/beobachtung.php)

16Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013S.C.C. TingJanuary 5, 2007

AMS

16

ISS: 109 m x 80 mCost: $ 100 billion Life time 20 years

AMS-02 installiert auf der ISS

Astro-nauten

17Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

AMS-02

TRD

TRACKER PLANE 1N

PLANE 1NS

UTOF

ANTIMATTERMATTERWeight 7500 kgVolume 64 cubic metersPower 2500 wattsData downlink 2 Mbps (average)Magnetic field intensity 0,125 Tesla or 1250 Gauss (4000 times stronger than the Earth magnetic field)Magnetic material Neodymium alloy (Nd2Fe14B), weighting 1200 kg

Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02

18Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

MA

GN

ET

VACUUM CASE

ECALTRACKER PLANE 6

TRACKER

AC

C

LTOF

RICH

(Nd2Fe14B), weighting 1200 kgSubsystems 15 among particle detectors and supporting subsystemsLaunch 16th May 2011, 08:56 am EDTMission duration through the lifetime of the ISS, until 2020 or longer (it will not return back to Earth)Construction 1999-2010Cost $1.5 billion (estimated)

Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02

19Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Teilchen in der kosmischen Strahlung

20Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Energie [GeV]

Teilchenidentifikation in AMS

21Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

AMS: A TeV precision, multipurpose spectrometer

1

TRDIdentify e+, e- , Z

Silicon TrackerZ, P

TOFZ, E

Particles and nuclei are defined by their charge (Z) and energy (E ~ P)

Magnet±Z

(5x4x3m, 7500 kg)

22Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Trac

ke r

2

7-8

3-4

9

5-6

ECALE of e+, e-, γ

RICHZ, E

Z, P are measured independently by the Tracker, RICH, TOF and ECAL

23Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

12.February 2010 - 16. Febrauary 2010: AMS-02 Transport from CERN, Geneva to ESTEC, Noordwijk, Netherlands

23

AMS in the Maxwell EMI chamber at ESTEC

24Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.201324

US Air Force C-5 Galaxyhas been used for transportfrom Geneva to Kennedy Space Center (Cape Canaveral) Sept. 2010

25Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

AMS in space shuttle Endeavour

26Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

PayloadCommanderAndreasSabellekvon KIT

KIT verantwortlich für AMS nach dem Start

27Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

vor Endeavournach dem letzten Checkvon AMS inEndeavour

Launch May 16, 2011, 08:56 AM

28Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Totales Gewicht: 2008 tAMS : 7.5 t

Launch

29Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Launch, 16.5.2011 at 8:56 am (European time)

30Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Shuttle docked to ISS

31Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Endeavour docked to ISS(photo during space walk)

32Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Endeavour docked to ISS(photo during space walk)

33Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

600 Physiker, 60 Insititute, 16 LänderBauzeit AMS-02: 10 Jahre

SpokesmanSam TingNobelprize 1976started AMS in 1994

34Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

The AMS Detector November 23, 2007

RWTH, AachenKIT, Karlsruhe

35Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

TRD Readout Computers

5,248 Pulse

Heights

AMSWire

Busy

Trigger

Busy

Trigger

AMSWire

To next level

5,248 Channels,112 Voltages, 24 TRD Data Reduction

Computers (UDR)4 Readout

Computers (JINF-U)

36Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

• Analog to digital conversion• Data reduction:

Pedestal subtractionRemove empty channels

•Format, send to next level

•Control High & Low Voltage•Distribute command to UDR•Combine Busy signals•Distribute Trigger

High & Low Voltage Control

TRD Elektronikexperten

Sabellek HaulerSchmanau

37Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

AMS Messungen der Nukleonen

EntriesH

He

LiBe

B CN

O

FNe

NaMg

AlSi

Cl Ar K Ca S Ti CrP S

Fe

108

107

106

105

104

103

102

38Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

K Ca Sc Ti V CrNi10

1

Verhältnis primärer zu sekundärer Teilchen

39Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Preliminary, S. Kunz, KIT

Spallation eines Kohlenstoffatoms

Layer 1 = 6.1

TRD = 6.0

UTOF = 7.6

R = 10 GV

40Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Inner = 4.8

LTOF = 5.2

RICH = 5.0

R = 10 GV

Kontrollraum für AMS am CERN

41Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Schichten: 365 Tage/Jahr!24h//Tag

Wichtigste Aufgaben beim Schicht

Gasdruckkontrolle: Gas des TRDs kann bei einem Leck entweichen-> AMS tot, ISS dreht

Temperaturkontrolle, denn Änderungen durchU l f d ISS i 90‘ d h 45‘ T 45‘ N ht

42Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Umlauf der ISS in 90‘, d.h. 45‘ Tag, 45‘ Nacht

Sonneneinfallswinkel (β)ISS Höhe

Position der Solarzellen und ISS Radiatoren>1000 Temperatursensoren und 298 Heizungen,

damit Temp. überall in vorgegeben Grenzen gehalten wird, um irreparable Schaden zu vermeiden

Misalignment durch Temperatureffekte

ung

TRD

-Tra

cker

[cm

]

M. Heil, Dr. Arbeit, KIT, 2013

43Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Rel

ativ

e Ve

rsch

ieb

Was kann alles passieren?

ISS dreht um 180 Grad, damit Astronaut ein schönes Bild machen kann:

AMS muss Ersatzkühlung zusätzlich einschalten

Solarpanele „feathered“ um Platz zu ATV

Soyuz

vour

44Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

p „machen für Anflug/Abflug:

AMS muss mit weniger elektrische Leistung auskommen (Heizungen abschalten)

AMS Laptop auf ISS streikt:Astronauten anrufen

ProgressEnde

a

Cady Coleman startet AMS Laptop auf der ISS

45Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Endeavour Day 6

Endeavour Day 6: Message from Vatican

46Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Endeavour Day 6: ISS tour

47Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Erste Daten von AMS-02

Nach 18 Monaten Datennahme im Weltraum hat AMS>30 109 Ereignisse aufgezeichnet.

(>7 Millionen sind Elektronen oder Positronen)

48Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

(>7 Millionen sind Elektronen oder Positronen)

Dies sind 10% der zu erwartenden Datenmenge(Datenname bis 2029?)

S l t d f

“First Result from the AMS on the ISS: Precision

Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic

Rays of 0.5-350 GeV”Phys. Rev. Lett. 110, 141102

(2013) [10 pages]

Erste Resultate veröffentlicht am 03.04.2013

49Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Selected for a Viewpoint in Physics and an Editors’ Suggestion

Seit Publikation vor 3 Monaten: 46 x zitiert

Positronverhältnis: e+/(e+ + e-)

M. Heil. Doktorarbeit, 05.07.2013

50Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Vergleich mit anderen Experimenten

51Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

http://www.tagesschau.de/ausland/dunklematerie100.htm

Forscher finden Hinweise auf Dunkle Materie

„Ein Wissenschaftlerteam am Forschungszentrum CERN in Genf hat erstmals Hinweise auf die Existenz der Dunklen Materie gefunden“

Leider gibt es auch andere Erklärungen, z.B. benachbarte

ARD Tagesthemen am 03.04.2013

52Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

g g ,astrophysikalische Quellen, wie Pulsare. (Überschuss an Positronen ist eigentlich zu groß für DM Signal)

Wir brauchen mehr Daten um Abfall des Signals bei hohenEnergien untersuchen zu können.

Wie kann man Pulsare von DM unterscheiden?

Pulsare keine Antiprotonen, Gammas Punktquelle

DM Antiprotonen, Gammas diffus und zeigen zurück zur Quelle, d.h. Signalüberschuss in Gammas folgt DM Profil

53Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Brauche Kombination aller Daten:Positronen, Antiprotonen, Gammas(und Kerne um Propagationsmodelle zu testen) Erwartete Spektren aller Teilchen bekannt

(aus Beschleunigerexp. )

AMS Himmelskarte der Gammastrahlung oberhalb 2 GeV

Geminga

54Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Vela

Zusammenfassung

Natur der dunklen Materie unbekanntAMS sieht zu viele Positronen, aber die neue Quelle könnte auch von Pulsaren stammenB h h D t

55Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013

Brauche mehr Daten um Abfall zu sehen und Vergleich mit Antiprotonen und Gamma SpektrenHoffnung: Am LHC werden WIMPS entdeckt und AMS bestätigt,dass diese neue Teilchen die WIMPs sind.